CN110372104A - 一种养殖水体的硝酸盐氮脱除方法 - Google Patents

一种养殖水体的硝酸盐氮脱除方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种养殖水体的硝酸盐氮脱除方法，涉及水产养殖技术领域，包括以下步骤：(一)选取脱氮副球菌作为菌种；选取BDPs—聚己内酯PCL作为填料备用；(二)进行接种物的培养；(三)设计反硝化装置并使用，进行硝酸盐氮脱除。本发明通过反硝化装置可以提高养殖水体中的C/N，有效去除硝态氮和亚硝态氮且亚硝态氮无明显累积，操作简单，经济上具备可行性。

Description

一种养殖水体的硝酸盐氮脱除方法
技术领域
本发明涉及水产养殖技术领域，尤其涉及一种养殖水体的硝酸盐氮脱除方法。
背景技术
水产养殖中，氮素含量过高会对养殖动物产生毒害作用，其中氨氮(NH4 +-N)和亚硝酸盐氮(NO2-N)由于毒性明显已受到广泛的关注，而硝酸盐氮(NO3 --N)作为硝化反应的产物因对水生动物的影响不明显未受到足够的重视。有研究表明，NO3 --N含量超过50mg/L同样会对养殖动物的生长产生明显的影响，而不设反硝化装置的养殖系统，NO3 --N含量会累积到500mg/L甚至更高。反硝化是去除水中NO3 --N及NO2 --N的重要途径，传统反硝化为厌氧环境，与水产养殖富氧环境相悖。近年来，异养硝化-好氧反硝化是逐渐受到重视，不断有好氧反硝化细菌被报道。
脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans)是最早发现的一类好氧反硝化细菌，可以在有O2存在的条件下，利用NO3 --N或NO2 --N为电子受体进行反硝化，将NO3 --N和NO2 --N还原为氮气。由于实际养殖水体C/N较低，实际反硝化过程多因作为碳源(电子供体)缺乏受到抑制，因此经常需要外加有机物作碳源。添加甲醇、葡萄糖等可溶性碳源容易存在过量的风险，玉米芯、稻草等固体碳源又因为碳源释放效率低受到限制，而可生物降解聚合物(BDPs)受到广泛的关注。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所解决的技术问题是如何降低养殖水体的硝酸盐氮。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种养殖水体的硝酸盐氮脱除方法，包括以下步骤：
(一)选取实验材料备用，具体过程如下：
(1)选取脱氮副球菌作为菌种；
(2)选取BDPs—聚己内酯PCL作为填料，试验前清洗去除杂质，30℃烘干至恒重备用；
所述BDPs—聚己内酯PCL为白色米状颗粒，熔点60℃，分子量80000；优选地，所述BDPs—聚己内酯PCL为美国苏威品牌产品。
(二)进行接种物的培养，具体过程如下：
(1)将脱氮副球菌进行活化，扩增,待OD600增长至1.0，其活菌数>109CFU/mL；
(2)按5％的体积比接种至500mL反硝化营养液，在气浴摇床进行振荡培养驯化，温度28℃，振荡速度140r/min，持续驯化15天，使脱氮副球菌成为优势种群；
所述反硝化营养液成分为：KNO3：300mg/L，BDPs—聚己内酯PCL：200±2.3g；Na2HPO4·12H2O：105mg/L；KH2PO4：150mg/L；MgSO4·7H2O：200mg/L；微量元素溶液2ml；pH调至7.0。
(三)设计反硝化装置并使用，进行硝酸盐氮脱除，具体过程如下：
(1)设置N个接有过滤装置和循环水系统的养殖池，并在原循环水系统上增加一个反硝化装置,养殖池温度控制在29±1℃，溶解氧不低于6.5mg/L，其中一半数量养殖池在养殖第90天开始接入反硝化装置，另外一半数量养殖池做参照，养殖池内水质平均指标为：TOC：20mg/L、NO3--N：204mg/L、NO2--N：0.02mg/L、NH4+-N：3.2mg/L、DO：7.8mg/L、pH：6.5；
所述反硝化装置包括PVC填料柱、蠕动泵，所述PVC填料柱上部设有出水口，下部设有进水口中，所述PVC填料柱内接入脱氮副球菌接种物并填装入BDPs—聚己内酯PCL填料，所述蠕动泵通过进水管与养殖池相接，并通过出水管道与PVC填料柱进水口相接，出水口通过管道与养殖池相接；
(2)开启蠕动泵吸入所述养殖池养殖水体，养殖水体通过蠕动泵出口管道进入PVC填料柱底部的进水口，养殖水体自PVC填料柱底部进水口流入向上经过BDPs—聚己内酯PCL填料的吸附后从PVC填料柱上部的出水口流出经管道进入养殖池，完成养殖水体硝酸盐氮脱除一个循环过程；
(3)每天检测TOC、NO3 --N、NO2 --N、NH4 +-N、DO及pH值，持续60天，直至养殖水体符合养殖要求。
与现有技术相比，本发明有益效果：
(1)以BDPs—聚己内酯PCL为碳源和生物膜载体的反硝化装置可以提高养殖水体中的C/N，有效去除硝态氮和亚硝态氮，且亚硝态氮无明显累积。
(2)固相碳源可被微生物利用，碳源缓慢释放，缓慢释放到养殖池水体中，间接提高了养殖池水体的碳氮比。
(3)采用BDPs—聚己内酯PCL作为碳源和生物膜载体，操作简单，经济上具备可行性。
附图说明
图1为本发明的工作流程图；
图2为本发明使用到的反硝化装置工作原理图；
图3为养殖池中养殖池中NO3 --N和NO2 --N的变化趋势图；
图4为养殖池TOC及pH随时间变化趋势图；
图5为BDPs—聚己内酯PCL颗粒表面生物膜的扫描电镜图；
图6为生物利用前(左)及利用后(右)颗粒表面形态对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但不是对本发明的限定。
图1示出了一种养殖水体的硝酸盐氮脱除方法，包括以下步骤：
(一)选取实验材料备用，具体过程如下：
选取脱氮副球菌作为菌种；
选取BDPs—聚己内酯PCL作为填料，试验前清洗去除杂质，30℃烘干至恒重备用；
所述BDPs—聚己内酯PCL为白色米状颗粒，熔点60℃，分子量80000，选用的BDPs—聚己内酯PCL为美国苏威品牌产品。
(二)进行接种物的培养，具体分步骤如下：
(1)将脱氮副球菌进行活化，扩增，待OD600增长至1.0，其活菌数>109CFU/mL，
(2)按5％的体积比接种至500mL反硝化营养液，在气浴摇床进行振荡培养驯化，温度28℃，振荡速度140r/min，持续驯化15天，使脱氮副球菌成为优势种群；
所述反硝化营养液成分为：KNO3：300mg/L，BDPs—聚己内酯PCL：200±2.3g；Na2HPO4·12H2O：105mg/L；KH2PO4：150mg/L；MgSO4·7H2O：200mg/L；微量元素溶液2ml；pH调至7.0。
(三)设计试验装置并使用，进行的硝酸盐氮脱除，具体分步骤如下：
(1)设置6个接有过滤装置和循环水系统的容量为50L的矩形有机玻璃池，并在原循环水系统上增加一个反硝化装置,长55cm，高35cm，每个养殖池加入40L水，养殖5条金鱼，玻璃池温度控制在29±1℃，溶解氧不低于6.5mg/L，其中3个有机玻璃池在养殖第90天开始接入反硝化装置，另外3个有机玻璃池做参照，有机玻璃池内水质平均指标为：TOC：20mg/L、NO3 --N：204mg/L、NO2 --N：0.02mg/L、NH4 +-N：3.23mg/L、DO：7.8mg/L、pH：6.5；
如图2所示，反硝化装置包括PVC填料柱1、蠕动泵2，PVC填料柱1上部设有出水口11，下部设有进水口12，PVC填料柱1内接入脱氮副球菌接种物并填装入BDPs—聚己内酯PCL填料，蠕动泵2通过进水管与养殖池3相接，并通过出水管道与PVC填料柱1进水口12相接，出水口11通过管道与养殖池3相接；
(2)开启蠕动泵吸入有机玻璃池养殖水体，养殖水体通过蠕动泵出口管道进入PVC填料柱底部的进水口，养殖水体自PVC填料柱底部进水口流入向上经过BDPs—聚己内酯PCL填料的吸附后从PVC填料柱上部的出水口流出经管道进入有机玻璃池，完成养殖水体硝酸盐氮脱除一个循环过程；
(3)每天检测TOC、NO3 --N、NO2 --N、NH4 +-N、DO及pH值，持续60天，直至养殖水体符合养殖要求。
为证明本发明与现有技术相比的有益效果进行以下检测：
(1)测定水样指标
将水样经过0.45um微孔滤膜过滤后测定各参数，硝态氮采用酚二磺酸分光光度法，TOC采用岛津TOC-V WP总有机碳分析仪，DO采用美国YSI52型溶解氧测定仪，pH采用上海雷磁PHSJ-5型酸度计。每个实验平行做三组，测量结果取平均值，作图采用Origin8.0。
1)养殖池水体中NO3 --N和NO2 --N浓度：
如图3示出了接入反硝化装置之后，水体中NO3 --N浓度及去除率与运行时间的关系。有机玻璃池鱼缸中初始NO3 --N的浓度为306mg/L。运行初期，由于脱氮副球菌还未及时适应水质的变化，且TOC浓度为20mg/L，碳源含量较低，使反硝化反应由于缺乏电子供体而无法启动。过高的NO3 --N会影响细菌正常的新陈代谢，对反硝化细菌产生一定的毒害作用。当反硝化装置接入第15天，NO3 --N的含量下降较快，NO3 --N去除率达到41％，最终脱氮效率维持在79％。由上可见，由于反硝化装置正常启动，以脱氮副球菌为优势菌群的反硝化细菌提供充足的电子受体，达到了提高反硝化脱氮的效率且无亚硝态氮的明显累积的有益效果。
2)养殖池中TOC及pH的变化：
图4示出了养殖池TOC及pH随时间变化趋势，养殖池中由于硝化系统消耗碱度引起pH值下降，在硝化型养殖系统进行至第90天时，pH值为6.5，接入反硝化装置之后，随着反硝化系统的启动，pH值呈现缓慢上升并逐渐稳定的趋势，如图4所示。初期pH值变化不大，随着反应的进行，在BDPs—聚己内酯PCL表面形成一层生物膜，异养型微生物促进BDPs—聚己内酯PCL的缓慢释放，释放出的碳源又迅速被反硝化细菌作为电子受体进行反硝化，促进反硝化装置的启动，使pH上升。反应进入第15天以后，pH值呈现波动，这是由于固相碳源在酶解过程中产生一定的有机酸，中和了反硝化过程中产生的碱度，使酸度呈现一定程度的波动。pH最终维持在7.1到7.4之间。
由此可见，反应器中BDPs—聚己内酯PCL通过换液缓慢释放至养殖池中，由于固相碳源的释放，使养殖池中TOC含量也增加，增大了养殖池中的C/N比，也提高了微生物的硝化和反硝化效率。对于循环水养殖系统，采用可生物降解聚合物BDPs—聚己内酯PCL作为反硝化电子供体的碳源缓慢释放，可以提高养殖池的C/N比，使反硝化效率提高。
(2)扫描电镜观察
采集新鲜的BDPs—聚己内酯PCL表面生物膜进行固定、生物制样，喷金，然后进行扫描电镜SEM观察。选用描电镜型号为日立S-4800FESEM场发射扫描电镜显微镜。
试验运行至第45天从反应器中进行取样，固定，生物制样，喷金，观察，另取固态颗粒进行表面形态观察。BDPs—聚己内酯PCL表面生物膜形态如图5所示。脱氮副球菌附着在BDPs—聚己内酯PCL颗粒表面，随着反应器运行稳定，碳源缓慢释放，被脱氮副球菌利用，颗粒表面出现裂隙，如图6所示，裂隙中可见脱氮副球菌附着，此时，脱氮副球菌成为优势菌株，对试验体系脱氮起到重要作用。
由此可见，BDPs—聚己内酯PCL生物利用之前和之后的表面形态结构有很多大不同，表明固相碳源可被微生物利用，该试验体系中缓慢释放至养殖池中，间接提高了养殖池的碳氮比。研究表明，固相碳源不同内部结构是影响碳源生物利用的关键因素。
(3)碳源成本的估算
从微生物驯化开始，整个试验持续75天，反硝化装置对BDPs—聚己内酯PCL碳源的损耗量如表2所示。
表1实验阶段BDPs—聚己内酯PCL的用量
Tab.1 Dosage of PCL in the experimental stage
本试验条件下，BDPs—聚己内酯PCL的消耗成本为0.82元，每升水消耗BDPs—聚己内酯PCL折算为0.16元。现有技术中张楠等研究了BDPs—聚己内酯PCL作为生物絮凝技术碳源对序批式生物絮凝反应器的影响，BDPs—聚己内酯PCL消耗量折算为0.25元，与之相比较，本试验更为节省。
由此可见，本试验利用接种技术对特定反硝化细菌进行驯化，增大了反硝化的效率且反应容器较大。说明BDPs—聚己内酯PCL作为有机碳源在一定程度上可以减少运行成本，且作为生物膜的基体，可提高固相反硝化的效率。
以上结合附图对本发明的实施方式做出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施方式进行各种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种养殖水体的硝酸盐氮脱除方法，其特征在于，包括以下步骤：
(一)选取实验材料备用，具体过程如下：
(1)选取脱氮副球菌作为菌种；
(2)选取BDPs—聚己内酯PCL作为填料，试验前清洗去除杂质，30℃烘干至恒重备用；
(二)进行接种物的培养，具体过程如下：
(1)将脱氮副球菌进行活化,扩增,待OD600增长至1.0，其活菌数>109CFU/mL；
(2)按5％的体积比接种至500mL反硝化营养液，在气浴摇床进行振荡培养驯化，温度28℃，振荡速度140r/min，持续驯化15天，使脱氮副球菌成为优势种群；
(三)设计反硝化装置并使用，进行硝酸盐氮脱除，具体过程如下：
(1)设置N个接有过滤装置和循环水系统的养殖池，并在原循环水系统上增加一个反硝化装置,养殖池温度控制在29±1℃，溶解氧不低于6.5mg/L，其中一半数量养殖池在养殖第90天开始接入反硝化装置，另外一半数量养殖池做参照，养殖池内水质平均指标为：TOC：20mg/L、NO3 --N：204mg/L、NO2 --N：0.02mg/L、NH4 +-N：3.2mg/L、DO：7.8mg/L、pH：6.5；
(2)开启蠕动泵吸入所述养殖池养殖水体，养殖水体通过蠕动泵出口管道进入PVC填料柱底部的进水口，养殖水体自PVC填料柱底部进水口流入向上经过BDPs—聚己内酯PCL填料的吸附后从PVC填料柱上部的出水口流出经管道进入养殖池，完成养殖水体硝酸盐氮脱除一个循环过程；
(3)每天检测TOC、NO3 --N、NO2 --N、NH4 +-N、DO及pH值，持续60天，直至养殖水体符合养殖要求。
2.根据权利要求1所述的养殖水体的硝酸盐氮脱除方法，其特征在于，步骤(一)具体过程(2)中，所述BDPs—聚己内酯PCL为白色米状颗粒，熔点60℃，分子量80000。
3.根据权利要求2所述的养殖水体的硝酸盐氮脱除方法，其特征在于，所述BDPs—聚己内酯PCL为美国苏威品牌产品。
4.根据权利要求1所述的养殖水体的硝酸盐氮脱除方法，其特征在于，步骤(二)具体过程(2)中，所述反硝化营养液成分为：KNO3：300mg/L，BDPs—聚己内酯PCL：200±2.3g；Na2HPO4·12H2O：105mg/L；KH2PO4：150mg/L；MgSO4·7H2O：200mg/L；微量元素溶液2ml；pH调至7.0。
5.根据权利要求1至4任一项所述的养殖水体的硝酸盐氮脱除方法，其特征在于，步骤(三)具体过程(1)中，所述反硝化装置包括PVC填料柱、蠕动泵，所述PVC填料柱上部设有出水口，下部设有进水口中，所述PVC填料柱内接入脱氮副球菌接种物并填装入BDPs—聚己内酯PCL填料，所述蠕动泵通过进水管与养殖池相接，并通过出水管道与PVC填料柱进水口相接，出水口通过管道与养殖池相接。
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